青岛地铁土压平衡盾构碎石土改良方法研究

冀海峰 刘卫景 赵国梁 牛宇哲 肖凤春 江玉生 杨星

（1.青岛市地铁四号线有限公司，山东青岛 266045；2.中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院，北京 100083）

0 引言

青岛地处我国黄海北部沿海地带，区域地层条件复杂，为城市地铁隧道的建设带来了诸多难题。目前，青岛地铁区间隧道建设主要采用盾构法或TBM法施工，而盾构掘进过程中时常会遇到碎石土这一青岛地区的典型地层，一方面大粒径石子含量较多，颗粒间隙较大，在富水地层中易造成喷涌，另一方面又因为其颗粒级配较差，含有一定的砂土导致刀盘磨损严重，开挖效率降低。针对这一种地质情况，需要进行相应的土体改良以保证土压平衡，减轻盾构刀盘磨损，提高掘进效率。

土体改良效果主要受改良剂种类和土体类型的影响。当前的研究主要针对砂土、黏土、卵石这些典型土体的改良，对于富水砂层的改良，徐琳琳等[1]采用铂金环法和罗氏泡沫仪法测定了泡沫的表面张力和发泡能力等参数，提出了最佳发泡剂浓度并预测了砂土的改良效果。邱 龑等[2]采用电镜扫描的方法对改良土的细观结构进行研究，并结合实测数据提出了外掺膨润土的改良方法，确定了其最佳配比。在考虑改良土对刀盘磨损性及出渣流塑性方面，刘 飞等[3]结合实测数据并进行大型渗透试验研究了改良后渣土对刀盘扭矩的影响，确定了泡沫的最佳改良方案。胡长明等[4]对比研究了不同膨润土配比条件下渣土改良效果，确定了膨润土的最优膨化浓度，并提出了膨润土泥浆注入指标的最佳改良方法。黄志强等[5]研究了生石灰含量对渣土改良效果的影响，提出一种膨润土外加生石灰与泥浆混合注入的改良方法。在黏性土地层中，刀盘和刀具的黏附成为了渣土改良所面对的主要问题，刘朋飞等[6]通过液塑限测定试验和Zeta 电位测定试验，研究高岭土、蒙脱土和高蒙混合土三种黏性土体和分散剂之间的作用规律及差别，提出了各自适用的改良方法。王洪新等[7]通过对渣土进行室内改良试验并在现场进行对比试验，结合盾构参数和坍落度之间的关系，得出了根据盾构参数确定改良效果的方法，确定了最适泡沫的注入量。王明胜等[8]通过考虑发泡效果因素研究了不同配比条件下分散型泡沫剂的改良效果，确定了泡沫剂与水组合改良的最佳注入率。针对土岩复合地层，李 杰等[9]采用正交实验方法对改良效果进行研究，建立了刀盘扭矩与掘进参数的数学模型，提出了泡沫辅以泥浆或水的改良方法。

尽管上述已有研究在渣土改良的方法及改良材料选用方面比较全面，但基本是针对砂土和黏土这两类特性差异较大的土体进行的改良研究，且研究目的较为明确，如砂土主要考虑刀盘刀具磨损及渗透性，而黏土主要考虑黏附效果。对于在青岛地区比较常见的碎石土，其改良材料、改良指标及效果方面的研究还不够丰富。鉴于此，本文以青岛4 号线静港路站-沙子口站（以下简称静-沙区间）为工程背景，主要采用室内试验的方法对改良前后的碎石土特性进行了对比和评估，分析了泡沫、聚合物、分散剂和膨润土4 种改良剂以不同配比作用于碎石土的强度和渗透性的影响，得出了土体改良剂作用于碎石土地层的一般规律，确定了适用于该工程的最佳改良剂配比。本研究可为后续在碎石土地层的盾构工程中改良剂的选用及配比提供一定的借鉴和指导。

1 工程概况

1.1 区间地质概况

青岛地铁4 号线静港路站-沙子口站区间单线长约1130 m，左线盾构段687.5 m，右线盾构段634.8 m。区间隧道穿越地层主要为碎石土和微风化、强风化凝灰岩。在微风化凝灰岩地层中采用矿山法施工，盾构机以空推形式通过微风化凝灰岩地层，然后进行二次始发，盾构机二次始发后穿越地层主要为碎石土地层，区间地质情况如图1 所示。地下水水位高度（至隧道拱顶）0.80～4.70 m。区间沿线两侧多为民房建筑，地面交通繁忙，场区环境条件较为复杂。

图1 地质剖面图

1.2 盾构设备情况

静-沙区间采用土压平衡盾构掘进施工，刀盘型式为复合式刀盘，在适应碎石土地层施工的同时，针对盾构推进过程中可能出现的土岩复合地层采用6 辐条式硬岩刀盘，中间支撑方式，并布置37 把镶嵌硬质合金的重型滚刀，滚刀选用17 in 及18 in 的标准尺寸，刀盘整体情况如图2 所示。刀盘上布置有6 个改良剂注入口，土舱隔板上分布有4 个注入口，螺旋输送机前后两段共分布有8 个注入口，同时配备独立的聚合物注入系统，以确保改良剂均匀注入。

图2 盾构刀盘

2 碎石土特性及改良材料

2.1 碎石土特性

（1）颗粒级配

本次研究的待改良土体取自青岛4 号线静-沙区间开挖段的碎石土地层，该段全线处于地下水位以下。通过筛分法对碎石土样进行颗粒组成分析，得出其颗粒级配曲线如图3 所示。根据颗粒级配曲线，碎石土的平均粒径为9.3 mm，属于典型的粗粒土，但粒径小于0.075 mm 的土颗粒占比超过15%；大于9 mm 的土颗粒占比超过50%。因此，这种土呈现出一种缺少中间粒径的分布状态，即含有一定的细粒成分，但同时砾石占比较大，从级配的角度分析，应当属于介于细粒土（黏土）和粗粒土（砂砾）之间的复杂组分。

图3 碎石土颗粒级配曲线

（2）磨损特性

碎石土样中含有的大量大粒径砾石会对刀盘产生一定的磨损，因此需要对碎石土中的大粒径颗粒进行磨损特性评价。国内外广泛采用LCPC 试验测得LAC 值作为评价土体磨损特性的指标[10]，其设备主要由主机、磨损钢片和土盒组成，如图4 所示。本次试验筛分并选取了粒径6～10 mm 的碎石土颗粒作为样本进行LCPC 试验，试验过程中先用高精度天平称量钢片磨损前的质量m0（单位：g），将500 g 待测土样装入土盒中，再控制主机高速旋转5 min 后测量钢片磨损后的质量m（单位：g），则LAC 值可通过式（1）计算。

图4 LCPC 试验

LAC 值与摩擦级别[10]关系见表1，试验测得正常条件下碎石土样LAC 值为1313.6，属于极磨损土。因此，根据结果碎石土进行土体改良时有必要关注其对刀盘和刀具磨损的影响。

表1 LAC 摩擦分级

（3）渗透性

十八大以来，通过全面从严治党，已经形成反腐败压倒性态势，但取得反腐败压倒性胜利的任务依然艰巨复杂；不敢腐的治标效果得到了初步实现，但不能腐的制度制约和不想腐的治本之策依然尚未形成。基于已有的治党成效和党面临的现实状况，党中央提出了“推动全面从严治党向纵深发展”这一论断，具有科学理论指导性和强烈现实针对性，对于实现新时代党的历史使命、解决党内突出矛盾和深层次问题、有效应对“四大考验”与“四大危险”具有重要意义。

富水地层中土压平衡盾构施工需要预防螺旋输送机喷涌的风险，渗透性是评价渣土抗渗性及防止喷涌最直观的指标。渗透系数k是土体渗透性大小的指标，其计算结果可由式（2）确定。

式中：k为渗透系数，cm3/s；Q为渗出水量，cm3；L为渗流长度，cm；A为土样的横截面积，cm2；t为渗流时间，s；Δh为水头高差，cm。

本次试验采用常水头渗透仪（见图5）测试并计算粒径4 mm 以下碎石土的渗透系数，经计算，其渗透系数高达9.75×10-4cm/s。工程经验和已有研究的结果表明，当改良土体的渗透系数小于2.5×10-4cm/s 时，可满足一般城市地铁隧道土压平衡盾构施工抗喷涌的要求[11-13]。本工程中由于开挖地层位于地下水位线以下，土体渗透系数过高存在喷涌或塌陷等风险，土体改良时需要考虑降低土体渗透系数。

图5 渗透试验仪

2.2 土体改良材料

土压平衡盾构施工常用的土体改良材料大致可以分为4 种：①界面活性类材料，如泡沫，该材料的作用是通过聚集土颗粒，并减少其接触面积提高土体流塑性；②矿物类材料，如膨润土等，该材料与土颗粒形成链锁结构吸收并阻隔水分，提高土体抗渗性能并改善其流塑性；③高分子聚合物类材料，该材料紧密连接并包裹分散的土颗粒，降低土体分散性并增加其黏性；④分散剂材料，该材料降低土颗粒之间黏性以增加土体分散性。

工程上对于砂土一般采用泡沫、膨润土和聚合物三种改良剂按一定配比组合的方式进行改良[14]，对于黏土的改良一般采用泡沫和分散剂[15]。碎石土性质介于二者之间，其改良剂成分和最佳改良配比需要同时考虑砂性土和黏性土两者的改良要求。

3 碎石土改良试验

由于碎石土同时具备砂性土和黏性土的特征，因此考虑将目前相关研究[12,16-17]对中砂的改良选用指标（即泡沫、膨润土和聚合物组合改良方式）结合黏土常用的改良剂（分散剂）进行改良试验，改良剂的配比和注入率也同样参考了相关研究在中砂和黏土的改良标准，本次共设计了5 组试验方案（见表2）。为避免粒径过大对试验的不利影响，本次碎石土样均采用筛分后颗粒直径4 mm 以下的原状碎石土。其中，泡沫浓度为发泡剂占溶液质量比例，膨润土泥浆为膨润土按1.2 比重配置成的泥浆，聚合物浓度为采用的羧甲基纤维素钠（CMC）溶液的浓度，分散剂与发泡剂按质量比1∶8 混合后按泡沫浓度加入。泡沫注入率为发泡后泡沫体积与开挖渣土的体积之比，其余改良剂的注入率为与试验土样的质量比。

表2 试验改良剂配比及注入率

3.1 坍落度试验

坍落度是评价渣土流塑性的常用指标，只有渣土满足一定的流塑性才能保证出渣的顺畅。为研究不同成分改良剂对改良效果的影响，选取了组1、组2、组3 三种改良剂的组合及配比进行标准坍落度试验（坍落筒高500 mm），试验结果见表3。已有研究及工程实践表明，满足出渣顺畅要求的流塑性渣土的坍落度为125～200 mm[18]。由试验结果可以看出，组1 改良后的土体坍落度较低，说明流塑性较差；而组2 改良后的土体坍落度较高，流动性过强，二者均不在工程要求范围之内。组3 配比的坍落度为174 mm，满足工程上坍落度的要求，这说明经泡沫和聚合物改良后，渣土的流塑性较好。

表3 坍落度试验结果

3.2 渗透性试验

图6 改良前后土体的渗透系数k 对比

3.3 直剪试验

实验室中通常采用直剪试验来测定土样的抗剪强度指标，直剪试验仪的作用原理假定试样受剪破坏面水平，在垂直于破坏面应力的作用下沿破坏面直接剪切，最后通过测得剪切应力τ与剪切位移l的关系计算土体的抗剪强度指标。本次直剪试验采用ZJ型应变控制式直剪仪（见图7），该设备可提供0.02、0.8、2.4 mm/min 三个剪切速率，根据实际工程中开挖土体的破坏环境，直剪试验可分为固结慢剪试验、固结快剪试验和快剪试验。

图7 ZJ 型应变控制式直剪仪

由于本工程中开挖地层位于地下水位以下，且盾构开挖过程中掌子面土体破坏较快（从开挖到出渣一般不超过2 h），土体来不及排水[22-24]，故本次试验采用固结快剪试验对5 组不同配比改良剂改良后的土样进行抗剪强度测试，其固结时间为1 h，同时在试验前确保土样已饱和。试验结果如图8 所示。

图8 剪应力-位移曲线

由图8 试验结果结果可以看出：组1 中的改良剂显著提高了碎石土的抗剪强度，且改良后土体剪应力-位移曲线呈应变硬化的趋势，这说明膨润土中细颗粒的凝结作用显著；组2 中改良后土体的抗剪强度显著提高，土体剪应力-位移曲线达到峰值后逐渐降低，呈应变软化的趋势，这表明改良后土体的离散性较高；而经泡沫和聚合物改良后的土体（组3-组5）的剪应力-位移曲线均呈现出应变软化，且峰值强度和最终强度变化不大，这表明泡沫浓度的变化并不能起到改变土体强度的作用。在工程中，为了能降低刀盘扭矩和推力，临近掌子面和土舱内的土体不应呈现出应变硬化的趋势，因为这样即使土体被开挖破坏也会不断增加刀盘旋转的负荷，因此，对于碎石土来说，泡沫、膨润土和聚合物的组合改良不是一个合理的方案。

4 讨论与分析

4.1 碎石土改良指标

前述试验展现出了碎石土经不同改良配比改良后的特性，总结改良后碎石土的状态见表4。由表4可以发现：采用泡沫、膨润土和聚合物三种改良剂组合改良的渣土渗透性显著降低，但可塑性极差，剪切应力曲线呈现不利的应变硬化型，显然不能满足碎石土改良要求；采用泡沫和分散剂组合改良的渣土坍落度极低，同样失去了良好的可塑性，同时渗透系数有一定的降低但不能满足抗喷涌极限渗透系数的要求；而采用7%浓度泡沫与5%浓度聚合物的组合改良方案，渗透性能够满足工程要求，且改良土的剪切曲线呈现明显的应变软化型，这对于减轻刀盘的负荷、降低刀具磨损是有利的。

表4 改良后碎石土状态

实际上，泡沫与聚合物组合改良的作用效果是显而易见的，因为泡沫能有效起到润滑作用，降低刀盘扭矩的同时减少对刀具的磨损。而聚合物能有效凝聚碎石土中颗粒较细的土颗粒，使其附着于砾石周围，降低大粒径砾石的尖锐度，起到一定减少刀盘磨损、降低刀盘扭矩的作用，除此之外，聚合物增加了孔隙水的黏度，进而起到降低渗透性的作用[25]。因此，对于本工程典型的富水碎石土地层，改良剂配比组5 为最优改良方案。

4.2 工程参数验证分析

静-沙区间盾构在400 环左右开始从土岩复合地层全断面进入碎石土地层中，先前在土岩复合地层施工中为了保证滚刀能够发挥其最大破岩效率，将舱内土压降低，而当进入碎石土地层时，为了能达到迅速保压的效果，避免超挖现象的发生，采用了填加膨润土泥浆的改良方式。盾构施工进入碎石土地层初期延续了之前的改良方式，即采用泡沫+膨润土+聚合物的方式进行改良（见图9（a）），此时刀盘平均扭矩达到3000 kN·m，最高扭矩甚至达到3600 kN·m，土压力平均在1.5 bar 左右波动。在盾构掘进至622环时更换了土体改良方案，即采用7%浓度泡沫与5%浓度聚合物组合改良的方式，此时扭矩降低至2000 kN·m，土压力则稳定在1.5 bar，这说明采用泡沫和聚合物改良碎石土使其流塑性明显增强并有效降低了刀盘的负荷。同样地，对比了推力与掘进速度的参数变化情况，如图9（b）所示，发现两种改良方式并未明显影响推力的变化，盾构推力始终稳定在12000 kN 左右，而采用7%泡沫与5%聚合物的改良方式后掘进速度明显提升至70 mm/min 左右，说明采用该配比进行渣土改良的效果较好，明显提高了掘进效率。

图9 静—沙区间碎石土段地层刀盘扭矩变化图

5 结论

（1）试验区碎石土因其特殊的颗粒级配而同时具有砂土和黏土的典型性质。改良时既要考虑其渗透性，防止砾石之间形成通道以致在富水地层中突发喷涌等情况，同时又要考虑其抗剪强度，防止其中黏性土颗粒在饱和状态下聚集而使土体强度过高而增大刀盘扭矩，降低开挖效率。

（2）分散剂能有效防止饱和状态下细颗粒的胶结，而聚合物和膨润土则可以显著降低土体的渗透性，有助于防止喷涌等风险，同时泡沫本身也具有润滑能力，可以明显降低刀盘扭矩，减小刀具磨损。

（3）采用7%浓度泡沫和5%浓度聚合物配比的改良剂对研究区碎石土的改良效果显著。相比之下，由泡沫、膨润土和聚合物组成的改良配比尽管能有效降低碎石土的渗透性，但会造成土体抗剪切特性的变化，增加刀盘的负荷；而由泡沫和分散剂组成的改良配比使土体分散性增加，起不到明显的抗渗效果,且对出渣顺畅性亦无改善。